Гидрология для экологовЗАЛЕПУХИН

ставляет собой живое сечение реки, эту сумму можно подсчитать как между промерными, так и скоростными вертикалями.

г) определяются частичные расходы воды между соседними скоростными (или промерными) вертикалями по формуле 2.1., их сумма представляет собой общий расход воды, проходящей через данный створ. Следует учитывать, что скорость воды вблизи берега принимается как две трети скорости воды на ближайшей скоростной вертикали: 0,258 м/с составляют 2/3 от 0,387 м/c ( строки 4 и 6, столбцы 9 и 10).

Таким образом, расчет расходов воды аналитическим способом основан на определении живого сечения реки по поперечному профилю и реальном измерении скоростей воды в данном створе.

Тема 3. Расчеты обеспеченности и повторяемости гидрологических величин

ËЕКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ:

1. Обеспеченность и повторяемость гидрологических величин.

Водность любой реки может быть оценена величиной годового стока — объемом воды, прошедшим через живое сечение за определенный отрезок времени, т. е. за один год. Колебания годового стока, как и других гидрологических величин, обусловлены достаточно большим количеством меняющихся факторов (климатических, метеорологических, антропогенных и др.) и подвержены существенным изменениям от года к году. Поэтому их часто изучают при помощи методов математической статистики и теории вероятностей. Многолетние изменения годового стока можно изучать по так называемым кривым повторяемости и обеспеченности среднегодовых расходов реки. Под повторяемостью понимается отношение числа лет с определенным расходом воды к общему периоду наблюдений; под обеспе- ченностью — вероятность превышения числа лет с определенным расходом, над числом лет с меньшим расходом. Для таких расчетов необходимы данные по расходам за значительный период (не менее 50 лет), которые должны разбиты на ряд интервалов. Расчет ведется табличным методом.

- 11-

мальные расходы имеют практически 100%-ную обеспеченность и встречаются каждый год.

Расходы, средние для данной реки имеют максимальную повторяемость (частоту) и среднюю (близкую к 50%) обеспе- ченность; минимальные расходы имеют наименьшую повторяемость и максимальную обеспеченность; максимальные расходы воды имеют минимальную повторяемость и обеспеченность.

По эмпирическим данным могут быть построены кривые повторяемости и обеспеченности, где по оси ординат откладывают интервалы расходов, а по оси абсцисс — значения повторяемости и обеспеченности в % (рис. 1):

Знание вероятностей повторяемости и обеспеченности имеет важное практическое значение. При строительстве различ- ных гидротехнических сооружений всегда возникает необходимость учета максимальных расходов воды — от этого зависит безопасность эксплуатации. При проектировании систем питьевого водоснабжения, наоборот, необходимо ориентироваться на минимальные расходы воды, но имеющие 100%-ную обеспеченность.

Âпрактической деятельности чаще приходится иметь дело

ñнепродолжительными рядами наблюдений, по которым трудно построить надежную кривую обеспеченности. В этом случае пользуются теоретическими кривыми обеспеченности, построенными на основе математических методов — анализа коэффициентов вариации, коэффициентов асимметрии и модульных коэффициентов. В таких расчетах 100%-ной обеспеченности соответствует не минимальный (как в нашем примере), а нулевой расход воды.

- 13-

Тема 4. Зависимости между уровнями и расходами воды в реке

ËЕКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ:

1.Движение воды. Гидрологическая характеристика рек.

2.Речной сток и его характеристики.

Уровень воды в любом водотоке подвержен колебаниям, связанным с изменениями водного режима в различные сезоны года. Между расходами и уровнями воды существуют зависимости, описываемые уравнениями гидравлики. Имея данные по расходам воды, измеренных при различных уровнях, можно установить зависимость для определенного створа и соответствующего сечения водотока. Такая зависимость выражается графически в виде кривой Q = Q(H) и называется кривой расходов воды. По уровням Н, полученных на водомерных постах, с помощью таких кривых определяют расходы воды Q, не измеряя их. Кривые расходов применяют при расчетах стока воды, при проектировании и эксплуатации гидротехнических сооружений и т. д.

В зависимости от продолжительности периода, в течение которого сохраняется зависимость между Н и Q, различают временные и многолетние кривые расходов. Ориентировочно можно считать, что срок действия первых ограничен двумя годами, а вторых — более длительным периодом.

Зависимость, в которой одному значению Н соответствует единственное значение Q, называется однозначной и справедлива для постоянного свободного русла. Отсутствие такой связи между площадью водного сечения, расходами и уровнем воды свидетельствует о неустойчивости и деформациях русла — вследствие зарастаемости, ледового подпора и других факторов.

Основными данными, необходимыми для построения кривых расходов, служат многолетние данные, полученные в результате постоянных наблюдений на водомерных постах.

- 14-

Таблица 6

Исходные данные для построения кривых расходов (водомерный пост ¹ 124)

__________

Примечание: лд. — ледостав, св. — свободное русло.

- 15-

Кривую расходов Q = Q(H) строят в системе прямоугольных координат совместно с кривыми площадей водного сечения и средних скоростей (рис. 2). По оси ординат откладывают уровни Н, а по оси абсцисс — расходы воды Q, площади водного сечения w и средние скорости v на трех различных шкалах, чтобы избежать перекрытия кривых на графике. По точкам выстраивают плавные кривые, чтобы они возможно более точно осредняли данные измерений, а разброс от кривой был минимальным (рис. 2).

Если при помощи кривой возникает необходимость определения многих расходов, то целесообразно составить расчетную таблицу: по рисунку 2 с кривой снимают данные расходов через определенный интервал Н ( например, через 10 см), а промежуточные значения находят при помощи прямолинейной интерполяции.

Таблица 7

Расчетная таблица к кривой расходов

- 16-

Следует учитывать, что из-за стеснения живого сечения — вследствие зарастания русла или льдообразования — пропускная способность русла уменьшается, что отражается на кривой расходов — измеренные расходы и средние скорости смещаются влево от кривой.

Тема 5. Расчеты испарения с водной поверхности и с суши

ËЕКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ:

1.Водный баланс.

2.Испарение и факторы, его определяющие.

Расчеты испарения имеют важное значение в связи с оценкой и динамикой водного баланса и водных ресурсов любого государства и региона. Они используются при проектировании и эксплуатации водохранилищ, расчетов запаса воды в почвах, эксплуатации мелиоративных систем и т. д.

Испарение с водной поверхности.

На испарение с водной поверхности оказывают влияние такие факторы, как площадь водоема, его глубина и защищенность. Слой испаряющейся влаги с больших водоемов значи- тельно больше, чем с малых — вследствие увеличения скорости ветра и высоты волн. Водоемы, защищенные по берегам строениями, горами, высокой растительностью, испаряют влаги меньше, чем открытые, и т. д.

Прямые наблюдения над испарением с водной поверхности ведут с помощью бассейнов-эталонов площадью 20 м2 и глубиной 2 м; испарителей особой конструкции ГГИ–3000 и ГГИ– 3000М.

Применительно к расчетам испарения все водоемы делятся на три группы:

à) малые — площадью до 5 км2 округлой или квадратной формы, имеющие среднюю длину разгона воздушного потока над водной поверхностью до 3 км;

á) средние, чьи показатели составляют соответственно от 5 до 40 км2 è äî 10 êì;

â) большие — с площадью более 40 км2 и средней длиной разгона свыше 10 км.

- 17-

Показатели испарительных бассейнов соответствуют испарению с малых водохранилищ и прудов площадью до 5 км2, испарение с водоемов больших размеров возрастает на 15 — 20 %.

В обычных расчетах требуется определить среднемноголетнее испарение и распределить его по месяцам внутри года.

Порядок расчета следующий:

1. Среднемноголетнее испарение (норма испарения) с малых водоемов, расположенных в равнинных условиях, определяют по формуле:

ема, зависит от природной зоны, в которой расположен водоем, и его средней глубины (таблица 8).

Таблица 8

Выбор поправочного коэффициента на глубину водоема

__________

Примечание: при необходимости проводится интерполяция.

Поправочный коэффициент kç (защищенности) определяют в зависимости от отношения средней высоты препятствий (в метрах) hç к средней длине разгона воздушного потока D (в метрах):

- 18-

-19 -

Рис. 2. Зависимость расходов Q, площадей живого сечения W и средних скоростей u от уровня воды Н.

Поправочный коэффициент на площадь водоема kç для тундровой, лесной и лесостепной зон составляет:

Для остальных зон этот коэффициент принимается за 1. Внутригодовое распределение испарения по месяцам вы-

числяют с помощью таблицы 9, зоны в этой таблице выбирают по схеме районирования ( приложение 7).

Таблица 9

Внутригодовое распределение испарения с поверхности малых водоемов

(в %% от годовой суммы за безледоставный период)

- 20-